一个电动小车整体的运行性能,首先取决于它的电池系统和电机驱动系统.电动小车的驱动系统一般由控制器,功率变换器及电动机三个主要部分组成.电动小车的驱动不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比,宽调速范围,高可靠性,而且电机的转矩-转速特性受电源功
率的影响,这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区.我们所使用的电机一般为直流电机,主要用到永磁直流电机,伺服电机及步进电机三种.直流电机的控制很简单,性能出众,直流电源也容易实现.本文即主要介绍这种直流电机的驱动及控制.
1.H型桥式驱动电路
直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式电路,这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行,分别对应正转,正转制动,反转,反转制动.它的基本原理图如图1所示.

全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态,S1,S2为一组,S3,S4为另一组,两组的状态互补,一组导通则另一组必须关断.当S1,S2导通时,S3,S4关断,电机两端加正向电压,可以实现电机的正转或反转制动;当S3,S4导通时,S1,S2关断,电机两端为反向电压,电机反转或正转制动.
在小车动作的过程中,我们要不断地使电机在四个象限之间切换,即在正转和反转之间切换,也就是在S1,S2导通且S3,S4关断,到S1,S2关断且S3,S4导通,这两种状态之间转换.在这种情况下,理论上要求两组控制信号完全互补,但是,由于实际的开关器件都存在
开通和关断时间,绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路,比如在上桥臂关断的过程中,下桥臂导通了.这个过程可用图2说明.因此,为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同性和同步性,两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系,而实际上却必
须相差一个足够的死区时间,这个矫正过程既可以通过硬件实现,即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时,也可以通过软件实现(具体方法参看后文).

驱动电流不仅可以通过主开关管流通,而且还可以通过续流二极管流通.当电机处于制动状态时,电机便工作在发电状态,转子电流必须通过续流二极管流通,否则电机就会发热,严重时烧毁.
开关管的选择对驱动电路的影响很大,开关管的选择宜遵循以下原则:
(1)由于驱动电路是功率输出,要求开关管输出功率较大;
(2)开关管的开通和关断时间应尽可能小;
(3)小车使用的电源电压不高,因此,开关管的饱和压降应该尽量低.
在实际制作中,我们选用大功率达林顿管TIP122或场效应管IRF530,效果都还不错,为了使电路简化,建议使用集成有桥式电路的电机专用驱动芯片,如L298,LMD18200,性能比较稳定可靠.
由于电机在正常工作时对电源的干扰很大,如果只用一组电源时会影响单片机的正常工作,所以我们选用双电源供电.一组5V给单片机和控制电路供电,另外一组9V给电机供电.在控制部分和电机驱动部分之间用光耦隔开,以免影响控制部分电源的品质,并在达林顿管的基极加三极管驱动,可以给达林顿管提供足够大的基极电流.图3所示为采用TIP122的驱动电机电路,IOB8口为"0",IOB9口输入PWM波时,电机正转,通过改变PWM 的占空比可以调节电机的速度.而当IOB9口为"0",IOB8口输入PWM波时,电机反转,同样通过改变PWM的
占空比来调节电机的速度.

图4为采用内部集成有两个桥式电路的专用芯片L298所组成的电机驱动电路.驱动芯片L298是驱动二相和四相步进电机的专用芯片,我们利用它内部的桥式电路来驱动直流电机,这种方法有一系列的优点.每一组PWM波用来控制一个电机的速度,而另外两个I/O口可以控制电机的正反转,控制比较简单,电路也很简单,一个芯片内包含有8个功率管,这样简化了电路的复杂性,如图所示IOB10,IOB11控制第一个电机的方向,IOB8 输入的PWM 控制第一个电机的速度;IOB12,IOB13控制第二个电机的方向,IOB9输入的PWM控制第二个电机的速度.

LMD18200是美国国家半导体公司推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件,同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件.此种芯片瞬间驱动电流可达6A,正常工作电流可达3A,具有很强的驱动能力,无"shot-through"电流,而且此种芯片内部还具有过流保护的测量电路,只需要在LMD18200的8脚输出端测出电压和给定的电压比较即可保护电路过流,从而实现电路的过流保护功能.由LMD18200组成的电机驱动电路如图5 所示.LMD18200 的5 脚为PWM 波输入端,通过改变PWM 的占空比就可调节电机的速度,改变3脚的高低电平即可控制电机的正反转.此电路和以上几种驱动电路比较具有明显的优点,驱动功率大,稳定性好,实现方便,安全可靠.

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